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2019年渤海氮磷营养盐季节变化及富营养化状况

王燕 姚振童 祝艳君 刘学淞 姚文君 马新东 王震

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2019年渤海氮磷营养盐季节变化及富营养化状况

    作者简介: 王 燕(1984-),女,山东泰安人,硕士,主要研究方向为海洋环境监测与评价,E-mail:wangyan@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 王 震(1977-),男,研究员,博士,海洋环境监测技术,E-mail:zwang@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划专项课题(2018YFC0213103):“黄渤海大气气溶胶沉降通量研究”
  • 中图分类号: P734

Seasonal variation of nutrients and eutrophication of 2019 in Bohai Sea, China

  • 摘要: 本研究采用2019年渤海四个季节表层的氮磷营养盐数据,对渤海氮磷营养盐浓度、N/P和富营养化状况的季节变化进行了分析和评价。结果表明:DIN和PO4-P的季节分布明显不同,DIN平均浓度表现为秋季最高、冬季和春季次之、夏季最低的季节分布特征,而PO4-P平均浓度最高值出现在秋季,其他季节浓度相近;空间分布上,DIN及各组分(NH4-N除外)均呈现近岸高、中部低的空间分布,受河流输入影响显著,虽然在近岸海域如辽河口出现PO4-P的高值区,但PO4-P各季节分布变化较大,并在秋、冬季节出现渤海中部浓度升高的情况,可能是受陆源输入和海洋中磷的内源循环的共同影响;同一季节近岸海域N/P远高于近海海域,渤海近岸海域呈现显著的磷限制,近海海域由于出现大片N/P小于16的区域,可能出现潜在氮限制的现象;富营养化指数(EI)结果显示,渤海富营养化区域主要集中在辽河口,该海域常年为中度富营养化区域,过量的DIN是富营养化的主要原因。
  • 图 1  渤海表层水体中NO3-N(a)、NO2-N(b)、NH4-N(c)和DIN(d)的空间分布特征

    Figure 1.  Spatial characteristics of NO3-N(a),NO2-N(b),NH4-N(c) and DIN(d) in surficial water of Bohai Sea

    图 2  渤海表层水体中PO4-P的分布(mg/L)

    Figure 2.  Spatial characteristics of PO4-P in surficial water of Bohai Sea

    图 3  渤海近岸和近海水体中DIN、PO4-P和N/P的季节特征

    Figure 3.  Seasonal characteristics of DIN, PO4-P and N/P ratio in surficial water of Bohai Sea

    图 4  2019年表层水体中N/P比的分布(摩尔比)

    Figure 4.  Spatial characteristics of N/P ratio in surface water in Bohai Sea

    图 5  渤海近岸及近海表层水体中化学需氧量和富营养化指数的季节特征

    Figure 5.  Seasonal characteristics of COD and EI indexes in surficial water of Bohai Sea

    图 6  渤海表层水体化学需氧量和富营养化指数的空间分布特征

    Figure 6.  Spatial characteristics of COD and EI in surface water of Bohai Sea

    表 1  渤海表层水体DIN组成

    Table 1.  Composition of DIN in surface water of Bohai Sea

    季节NH4-NNO3-NNO2-N
    春季12%83%5%
    夏季33%54%13%
    秋季11%81%9%
    冬季11%86%3%
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    表 2  渤海表层水体中各类营养盐的浓度结果(mg/L)

    Table 2.  Concentration of different nutrients in surface water of Bohai Sea (mg/L)

    季节浓度NH4-NNO3-NNO2-NDINPO4-P
    春季范围ND~0.152ND~1.19ND~0.163ND~1.230.0005~0.062
    平均值0.018±0.0210.121±0.1650.008±0.0130.147±0.1830.0054±0.0067
    夏季范围ND~0.29ND~0.846ND~0.2270.003~1.0020.0008~0.058
    平均值0.041±0.0620.069±0.1130.016±0.0280.126±0.1530.0062±0.0076
    秋季范围ND~0.1590.005~0.8380.001~0.1180.037~0.9510.0007~0.044
    平均值0.027±0.0270.207±0.1610.022±0.020.256±0.1740.0144±0.0084
    冬季范围ND~0.1580.001~1.3130.001~0.0480.015~1.3540.0009~0.033
    平均值0.021±0.0190.166±0.1850.006±0.0060.194±0.1920.0064±0.0051
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-26
  • 录用日期:  2021-09-17
  • 刊出日期:  2021-12-20

2019年渤海氮磷营养盐季节变化及富营养化状况

    作者简介:王 燕(1984-),女,山东泰安人,硕士,主要研究方向为海洋环境监测与评价,E-mail:wangyan@nmemc.org.cn
    通讯作者: 王 震(1977-),男,研究员,博士,海洋环境监测技术,E-mail:zwang@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 2. 国家环境保护近岸海域生态环境重点实验室,辽宁 大连 116023
基金项目: 国家重点研发计划专项课题(2018YFC0213103):“黄渤海大气气溶胶沉降通量研究”

摘要: 本研究采用2019年渤海四个季节表层的氮磷营养盐数据,对渤海氮磷营养盐浓度、N/P和富营养化状况的季节变化进行了分析和评价。结果表明:DIN和PO4-P的季节分布明显不同,DIN平均浓度表现为秋季最高、冬季和春季次之、夏季最低的季节分布特征,而PO4-P平均浓度最高值出现在秋季,其他季节浓度相近;空间分布上,DIN及各组分(NH4-N除外)均呈现近岸高、中部低的空间分布,受河流输入影响显著,虽然在近岸海域如辽河口出现PO4-P的高值区,但PO4-P各季节分布变化较大,并在秋、冬季节出现渤海中部浓度升高的情况,可能是受陆源输入和海洋中磷的内源循环的共同影响;同一季节近岸海域N/P远高于近海海域,渤海近岸海域呈现显著的磷限制,近海海域由于出现大片N/P小于16的区域,可能出现潜在氮限制的现象;富营养化指数(EI)结果显示,渤海富营养化区域主要集中在辽河口,该海域常年为中度富营养化区域,过量的DIN是富营养化的主要原因。

English Abstract

  • 营养盐是浮游植物生长的物质基础,其浓度和结构显著影响浮游植物的生长繁殖和群落变化[1-2]。随着经济的快速发展,工农业生产、生活污水携带了大量的营养物质进入海洋[3],导致近岸海域富营养化不断加剧,赤潮、绿潮等生态灾害频发[4],严重威胁近岸海洋生态和经济的可持续发展[5]

    渤海是我国面积最小的半封闭型内海,平均水深仅为17 m,面积为7.7万km2。渤海周边几乎均被大陆包围,北、西、南面由人口密集、工业发达的三省一市(辽宁省、河北省、山东省、天津市)环绕,仅在东南方向通过渤海海峡与黄海相连。沿岸有黄河、海河、滦河和辽河等40余条河流入海,生态环境受人为因素影响显著[6]。一直以来,渤海都是我国海洋研究的热点地区,在营养盐的季节分布及限制情况[6-8]、富营养化及生态效应[9]、营养盐长时间变化[10-12]、营养盐基准[13]等方面,都开展了大量的工作。研究显示,近年来渤海溶解无机氮浓度整体呈增加趋势,2002年以后迅速增加,磷酸盐浓度呈下降趋势,营养盐限制由氮限制向磷限制和硅限制演变[10, 12, 14]

    随着《渤海碧海行动计划》《渤海综合治理攻坚战行动计划》等计划的实施,渤海水环境综合治理工作取得了积极进展和良好成效,但局部海域仍存在一定程度的富营养化现象。为进一步了解和发现现阶段渤海水质的总体环境状况,本文对渤海2019年四个季度的氮、磷营养盐数据进行了全面分析,并对其富营养化情况进行了探讨。该结果对于全面了解现阶段渤海近岸及近海海域氮、磷营养盐的空间分布特征、季节特征及结构特征具有重要的参考意义,也为下一步开展渤海海洋生态环境业务监测提供借鉴。

    • 数据资料来源于2019年渤海海洋生态环境监测,监测站位351个,覆盖渤海近岸和近海海域,监测时间为2019年3月、5月-6月、7月-8月和10月-11月,分别代表冬季、春季、夏季和秋季。监测过程中,在样品采集、保存、运输和测试的全过程中采取了现场空白、现场平行、实验室平行、实验室标样等一系列质控措施,可保证监测数据的有效性和准确性。为便于数据比较,文中数据均为渤海表层数据,包括化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、氨氮(NH4-N)和活性磷酸盐(PO4-P)。

    • 样品采集和分析严格按照《海洋监测规范 第4部分:海水分析》(GB 17378.4-2007)和《海洋监测技术规程 第1部分:海水》(HY/T 147.1-2013)执行。其中,COD采用碱性高锰酸钾法进行测定;NO2-N使用重氮-偶氮法进行测定;NO3-N采用镉铜还原法进行测定;NH4-N使用次溴酸盐氧化法或靛酚蓝法进行测定;PO4-P使用磷钼蓝法进行测定。溶解无机氮为NO3-N、NO2-N和NH4-N三组分之和,N/P为DIN和PO4-P的摩尔比值。

    • 常用的富营养化评价方法包括单因子指数法、潜在性富营养化评价[15]、富营养化指数法(EI[16]、营养状态质量指数法(NQI[17]等。本文选用富营养化指数(EI)法进行评价,计算公式如下:

      式中:EI为富营养化指数,无量纲;COD为化学需氧量浓度,mg/L;DIN为无机氮浓度,mg/L;DIP为无机磷浓度,文中以PO4-P替代,mg/L。EI ≥1为富营养化,其中,1≤ EI ≤3时为轻度富营养化,3<EI ≤9时为中度富营养化,EI >9为重度富营养化。

    • 渤海表层水体中DIN的组成如表1所示,NO3-N是DIN的主要组成部分,除夏季占比较低(54%)外,其他季节占比均高于80%;NH4-N和NO2-N在DIN中占比较低,其中NH4-N比例略高于NO2-N。营养盐浓度统计结果显示(表2):NO3-N和DIN浓度呈现秋季最高、冬季和春季次之、夏季最低的季节特征。NO2-N作为氮元素氧化还原的中间价态,各季节平均浓度为0.006~0.022 mg/L,呈现秋季最高、夏季次之、冬春最低的季节特征,这可能与夏季和秋季温度较高,细菌活动较为活跃,氮元素硝化作用和反硝化作用较强有关。NH4-N是氮元素的还原形态,各季节平均浓度为0.018~0.041 mg/L,呈现夏季最高、其他季节浓度相近的特征。

      季节NH4-NNO3-NNO2-N
      春季12%83%5%
      夏季33%54%13%
      秋季11%81%9%
      冬季11%86%3%

      表 1  渤海表层水体DIN组成

      Table 1.  Composition of DIN in surface water of Bohai Sea

      季节浓度NH4-NNO3-NNO2-NDINPO4-P
      春季范围ND~0.152ND~1.19ND~0.163ND~1.230.0005~0.062
      平均值0.018±0.0210.121±0.1650.008±0.0130.147±0.1830.0054±0.0067
      夏季范围ND~0.29ND~0.846ND~0.2270.003~1.0020.0008~0.058
      平均值0.041±0.0620.069±0.1130.016±0.0280.126±0.1530.0062±0.0076
      秋季范围ND~0.1590.005~0.8380.001~0.1180.037~0.9510.0007~0.044
      平均值0.027±0.0270.207±0.1610.022±0.020.256±0.1740.0144±0.0084
      冬季范围ND~0.1580.001~1.3130.001~0.0480.015~1.3540.0009~0.033
      平均值0.021±0.0190.166±0.1850.006±0.0060.194±0.1920.0064±0.0051

      表 2  渤海表层水体中各类营养盐的浓度结果(mg/L)

      Table 2.  Concentration of different nutrients in surface water of Bohai Sea (mg/L)

      渤海表层水体中PO4-P平均浓度为0.005~0.014 mg/L,季节变化总体呈秋季最高、其他季节差异较小的特征(表2)。受我国“控磷”“禁磷”等磷负荷削减政策的影响[18-19],近年来渤海表层水体PO4-P浓度一直处于较低水平。

    • DIN及各组分营养盐(NO3-N、NO2-N、NH4-N)的空间分布如图1所示。NO3-N和DIN呈现近岸高、中部低的特征,受河流、排污口等陆源输入的影响显著(图1a和图1b)。由于辽河、大辽河、海河、黄河和小清河等河流携带了大量营养物质进入海洋,NO3-N和DIN高值区集中在辽东湾、渤海湾和莱州湾的湾顶区域[20-22]。春季,受河流输入的大量营养盐影响,NO3-N和DIN在小清河口−黄河口、辽河口和海河口出现明显高值区,浓度分别超过0.50、1.0和0.2 mg/L,并呈现由河口向海洋迅速降低的变化特征;渤海湾大部分海域、渤海中部和辽东湾南部海域浓度较低,小于0.2 mg/L。夏季,由于浮游植物对营养盐的吸收利用,NO3-N和DIN浓度进一步降低,最高浓度出现在辽河口(>0.8 mg/L),其次为莱州湾西侧和黄河口周边海域。秋季,浮游植物的生长活动减弱,NO3-N和DIN浓度较夏季进一步升高,在辽河口、海河口和黄河口均出现明显高值区,呈现近岸高、中部低的分布特征。冬季,NO3-N和DIN浓度较秋季降低,在莱州湾和辽东湾呈现从近岸向外海迅速降低的变化特征;渤海湾浓度分布均匀,但普遍高于中部海域。渤海NO3-N和DIN浓度冬季低于秋季的现象,主要原因是冬季监测在海冰融化后开展,监测时间接近初春(2019年3月),浮游植物的生长活动逐渐复苏,水体中的营养盐已缓慢消耗。

      图  1  渤海表层水体中NO3-N(a)、NO2-N(b)、NH4-N(c)和DIN(d)的空间分布特征

      Figure 1.  Spatial characteristics of NO3-N(a),NO2-N(b),NH4-N(c) and DIN(d) in surficial water of Bohai Sea

      NO2-N的空间分布整体上也表现为近岸高、中部低的特征(图1c),高值同样出现在渤海湾、黄河口和辽河口等区域,这表明NO2-N是从近岸向海洋扩散[23]。与其他DIN组分不同,NH4-N在全海域的分布基本均匀,近岸海域NH4-N浓度略高于中部,受入海河流的影响较小(图1d)。分析原因,一方面,“氨氮”是陆源氮削减的主要控制指标,入海河流水体中的NH4-N浓度较低[24-25];另一方面,在光合作用浮游植物固氮的过程中,NH4-N是同化反应中最先被吸收利用的组分[26]

      PO4-P的空间分布与DIN近岸高、中部低的分布特征存在明显不同(图2)。春季,渤海表层PO4-P分布相对均匀,仅在辽河口、渤海湾湾顶和莱州湾湾顶出现浓度大于0.015 mg/L的高值区。夏季,除辽河口和渤海湾南部出现PO4-P等值线密集的高值区外,其他海域PO4-P浓度均符合第一类海水水质标准,表现为渤海湾北部、莱州湾湾顶和辽东湾东部海域略高的分布特征。秋季,渤海表层水体中PO4-P浓度显著升高,高值区出现在辽河口海域;以海河−大连连线为界,界线以北海域PO4-P浓度较高,普遍高于0.015 mg/L,界线以南海域浓度较低,基本符合第一类海水水质标准。冬季,PO4-P呈现近岸低、中部高的分布特征,辽河口和大连近岸浓度略高于0.015 mg/L。空间分布表明,渤海PO4-P受辽河和大辽河等影响显著,海洋内源循环如夏季浮游植物对磷的“奢侈消费”吸收储存作用[27]以及水体颗粒物中磷的吸附、解吸作用[28],可能是影响PO4-P浓度的重要因素。

      图  2  渤海表层水体中PO4-P的分布(mg/L)

      Figure 2.  Spatial characteristics of PO4-P in surficial water of Bohai Sea

    • N/P的季节变化特征如图3所示。各季节N/P平均值为72~121,远高于Redfield比值(16),且DIN和PO4-P平均浓度均高于Nelson提出的浮游植物生长最低阈值(DIN=0.014 mg/L,PO4-P=0.0031 mg/L)[29],海域呈现明显的磷限制。以海洋功能区划为界,近岸和近海海域N/P平均值分别为81~166和31~70,同一季节近岸海域N/P远高于近海海域,近岸海域磷限制程度高于近海海域。

      图  3  渤海近岸和近海水体中DIN、PO4-P和N/P的季节特征

      Figure 3.  Seasonal characteristics of DIN, PO4-P and N/P ratio in surficial water of Bohai Sea

      N/P的空间变化特征(图4)表明,渤海近岸海域磷限制严重,中部海域N/P低至3.87(春季表层),呈现潜在氮限制的特征。其中,春季,莱州湾、渤海湾、滦河口及辽东湾东侧海域N/P高于Redfield比值,高值出现在黄河口外部海域、渤海湾湾顶、滦河口及盖州-鲅鱼圈近岸海域,营养盐结构表现为磷限制;辽东湾西部海域和渤海中部海域N/P小于Redfield比值,海域可能出现氮限制。夏季,浮游植物生长繁殖大量消耗水体中的营养盐,DIN和PO4-P的浓度均显著降低,PO4-P经常出现未检出或在检出限附近的情况;N/P显著升高,除渤海中部小于Redfield比值(16),可能出现氮限制外,其他海域均表现为磷限制,磷成为浮游植物生长的限制因素。秋季,随着PO4-P浓度的升高,N/P小于16的范围增大,除辽东湾湾顶、渤海湾和莱州湾仍为磷限制外,渤海中部和辽东湾南部海域N/P均小于16,可能出现氮限制。冬季,磷限制海域集中在渤海近岸,莱州湾全部、渤海湾南部和辽东湾西侧近岸海域出现大片等值线密集的高值区;N/P小于16的区域进一步向辽东湾湾顶扩张,渤海中部海域可能出现氮限制。

      图  4  2019年表层水体中N/P比的分布(摩尔比)

      Figure 4.  Spatial characteristics of N/P ratio in surface water in Bohai Sea

    • COD季节变化不明显,季度平均值为1.23~1.37,除秋季近岸和近海海域COD相近外,其他季节均表现为近岸海域COD普遍高于近海海域的分布特征。富营养化指数(EI)季度变化如图5所示,秋季最高(1.43),夏季次之(0.76),春季、冬季最低(分别为0.48和0.46)。其中,近岸富营养化程度远高于近海,除秋季近岸海域富营养化程度较高外,其他季节近岸和近海海域基本未出现富营养化。

      图  5  渤海近岸及近海表层水体中化学需氧量和富营养化指数的季节特征

      Figure 5.  Seasonal characteristics of COD and EI indexes in surficial water of Bohai Sea

      COD浓度和EI的空间分布如图6所示。春季,中度富营养化区域出现在辽河口(EI >5),轻度富营养化区域出现在渤海湾湾顶、莱州湾湾顶和复州湾(EI >1);夏季,高值区出现在辽河口邻近海域及渤海湾南部海域(EI >5),为中度富营养化,黄河口邻近海域出现轻度富营养化(EI >1);秋季,富营养化程度较高,中度富营养化区域在辽东湾和渤海湾湾顶,基本与DIN的高值区重合,体现了DIN对水体环境的影响;冬季,富营养化程度略有降低,仅在辽东湾湾顶出现中度富营养化海域,其他海域均未出现富营养化。

      图  6  渤海表层水体化学需氧量和富营养化指数的空间分布特征

      Figure 6.  Spatial characteristics of COD and EI in surface water of Bohai Sea

    • (1)渤海表层水体中DIN浓度呈现近岸高、中部低的空间分布特征,受辽河、大辽河、海河、黄河和小清河等陆源输入的影响显著,高值区集中在辽东湾、渤海湾和莱州湾的湾顶区域,且DIN浓度表现出明显的季节变化特征。

      (2)PO4-P浓度呈现秋季浓度最高、其他季节相近的分布特征,受辽河和大辽河影响显著。海洋内源循环如夏季浮游植物对磷的“奢侈消费”吸收储存作用以及水体颗粒物中磷的吸附解吸作用,可能是影响水体中PO4-P浓度的一个重要因素。

      (3)N/P总体呈现近岸高、中部低的空间分布特征,近岸和中部海域呈现出不同的营养盐限制特征,其中近岸海域主要为磷限制,中部海域可能出现潜在氮限制。

      (4)富营养化程度为秋季最高,夏季次之,春季、冬季最低,辽河口是渤海表层水体富营养化的主要区域,主要影响因素为DIN。

      致谢:本研究受国家重点研发计划专项(2018YFC0213103)和全国海洋生态环境监测质量业务工作资助!

参考文献 (29)

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